Perancangan Mutakhir Material Propelan Padat dengan Metode Pembuatan Prototipe Cepat
Rando Tungga Dewa * , Aditia Aulia, Eka Irianto Bhiftime, Ariyo Nurachman Satiya Permata, Ida Farida, Rashif Shiraj
Departemen Teknik Mesin, Universitas Pertahanan RI, Komplek IPSC Area, Sentul, Bogor, Jawa barat 16810, Indonesia *E-mail: rando.td@gmail.com
Diajukan: 22-09-2022; Diterima: 14-04-2023; Diterbitkan: 20-04-2023

## Abstrak
Teknologi  amunisi  dan  persenjataan  sangat  berkembang  pesat.  Kemajuan  teknologi  dalam  pengembangan  material propelan sangat berpotensi besar. Kepadatan material yang tinggi dari propelan padat menyebabkan kepadatan energi yang tinggi (Energi yang dihasilkan oleh satu unit massa propelan disebut dengan kepadatan energi) yang dibutuhkan untuk menghasilkan gaya propulsi yang diperlukan. Propelan pada roket dibakar secara terkendali (deflagrasi) untuk menghasilkan daya dorong yang diinginkan. Propelan padat terdiri dari beberapa bahan kimia seperti oksidator, bahan bakar,  pengikat, plasticizer , curing  agent,  stabilizer ,  dan cross-linking  agent .  3D  printing  telah  muncul  sebagai platform  teknologi  serbaguna  untuk  desain  berbantuan  komputer  (CAD)  dan  manufaktur  aditif  (AM).  AM memungkinkan produksi suku cadang yang disesuaikan dari logam, keramik, dan polimer tanpa memerlukan cetakan atau  permesinan  yang  kompleks  untuk  fabrikasi  formatif  dan  subtraktif  konvensional.  Jelas  bahwa  propelan  padat komposit akan secara signifikan mendapat manfaat dari kendala geometris yang  teratasi dan kemudahan pembuatan yang ditawarkan oleh teknologi 3D printing. Sampai saat ini, studi mengenai kelayakan material propelan padat dengan menggunakan metode pembuatan cepat belum pernah dilakukan di Indonesia. Pada penelitian ini, propelan komposit berbasis Potassium dipilih dengan matriks photocurable resin sebagai pengikat. Serbuk iron oxide halus ditambahkan pada komposisi propelan dipenelitian ini. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui performa dari material propelan padat yang dibuat dengan menggunakan teknologi pembuatan cepat atau 3D printer.  Hasil yang diperoleh dari  penelitian  ini  adalah  propelan  padat  tanpa  residu  bahaya  yang  diproduksi  selama  2  hr,  dengan  geometri  yang diinginkan dan bobot yang ringan. Hasil uji bakar menunjukkan ~2.0 mm/s dalam kondisi udara terbuka.
Kata kunci: Propelan padat; Material energetik, 3D Printer

## Abstract
Ammunition and weapons technology is developing rapidly. Technological advances in the development of propellant materials  have  great  potential.  The  high  material  density  of  solid  propellants  results  in a  high  energy density  (the energy produced by one unit mass of the propellant is called energy density) required to produce the propulsion force. Rocket  propellant  is  burned  in  a  controlled  manner  (deflagration)  to  produce  the  desired  thrust.  Solid propellants consist of several chemicals such as oxidizing agents, fuels, binders, plasticizers, curing agents, stabilizers, and cross- linking  agents.  3D  printing has  emerged  as  a  versatile  technology  platform  for  computer-aided  design  (CAD)  and Additive Manufacturing (AM). AM enables the production of customized parts from metals, ceramics and polymers without the need for complex moldings or machining for conventional formative and subtractive fabrication. It is clear that composite solid propellants will significantly benefit from the geometric constraints that are overcome and the ease  of  manufacture  offered  by  3D  printing  technology.  As  of  now,  studies  on  the  feasibility  of  solid  propellant materials using rapid manufacturing methods have not been carried out in Indonesia. In this study, a Potassium-based composite propellant was chosen with a photocurable resin matrix as a binder. Fine iron oxide powder was added to the propellant composition in this study. The purpose of this study was to determine the performance of solid propellant materials made using rapid manufacturing technology called 3D printer. The results obtained from this study are solid propellant  without  hazardous  residues  produced  within  2  hours,  with  the  desired  geometry  and  light  weight.  The combustion test results show ~2.0 mm/s in open air conditions.

## Keywords: Solid propellants; energetic materials; 3D Printer

## 1. Pendahuluan
Dalam bidang kemiliteran, teknologi amunisi dan persenjataan sangat berkembang pesat. Oleh karena itu, kemajuan teknologi dalam pengembangan  material propelan sangat berpotensi besar. Propelan sangat energik dan  menghasilkan produk gas suhu tinggi pada pembakaran. Kepadatan material yang tinggi dari propelan padat menyebabkan kepadatan energi  yang  tinggi  (Energi  yang  dihasilkan  oleh  satu  unit  massa  propelan  disebut  dengan  kepadatan  energi)  yang
dibutuhkan untuk menghasilkan gaya propulsi yang diperlukan. Propelan pada roket dibakar secara terkendali (deflagrasi) untuk menghasilkan daya dorong yang diinginkan. Propelan padat terdiri dari beberapa bahan kimia seperti oksidator, bahan bakar, pengikat, plasticizer, curing agent, stabilizer, dan cross-linking agent . Komposisi kimia spesifik tergantung pada  karakteristik  pembakaran  yang  diinginkan  untuk  misi  tertentu.  Propelan  padat  sering  disesuaikan  dan diklasifikasikan  berdasarkan  aplikasi  spesifik  seperti  peluncuran  luar  angkasa,  rudal,  dan  senjata.  Bahan  kimia  yang berbeda dan proporsinya menghasilkan sifat fisik dan kimia yang berbeda, karakteristik pembakaran, dan kinerja [1-3].
3D  printing  telah  muncul  sebagai  platform  teknologi  serbaguna  untuk  desain  berbantuan  komputer  (CAD)  dan manufaktur aditif (AM). AM memungkinkan produksi suku cadang yang disesuaikan dari logam, keramik, dan polimer tanpa  memerlukan  cetakan  atau  permesinan  yang  kompleks  untuk  fabrikasi  formatif  dan  subtraktif  konvensional. Keuntungan teknologi 3D printing di area propelan antara lain  meminimalkan pemborosan tanpa berurusan dengan residu bahaya; fabrikasi propelan dengan bentuk tertentu yang tidak dapat dibuat dengan cara tradisional; mudah memproduksi sejumlah kecil propelan dengan harga murah; mengurangi waktu dari fabrikasi ke penembakan senjata, yang mengubah mode  penelitian  dan  pengembangan;  miniaturisasi,  pengurangan  berat  dan  integrasi  propelan  dan  komponen  menjadi mungkin [4-6]. Jelas bahwa propelan padat komposit akan secara signifikan mendapat manfaat dari kendala geometris yang teratasi dan kemudahan pembuatan yang ditawarkan oleh teknologi 3D printing, namun belum ada laporan yang berhasil sejauh pengetahuan kami [7-14].
Di Indonesia teknologi fabrikasi propelan masinh menggunakan metode konvensional. Karakteristik yang diinginkan untuk  propelan  padat  adalah  impuls  spesifik  yang  tinggi,  laju  pembakaran  dan  karakteristik  pengapian  yang  dapat diprediksi dan direproduksi, kepadatan tinggi, kemudahan pembuatan, biaya rendah, dan karakteristik penuaan yang baik. Dari  sudut  pandang  keselamatan,  propelan  harus  menghasilkan  asap  buang  yang  rendah  dan  tidak  rentan  terhadap ketidakstabilan pembakaran. Selain itu, propelan juga harus memiliki sifat termofisika dan mekanik yang memadai pada kisaran kondisi operasi dan penyimpanan  yang diinginkan.  Pada penelitian ini, propelan komposit berbasis  Potassium dipilih dengan matriks photocurable resin sebagai pengikat [14]. Serbuk iron oxide halus ditambahkan pada komposisi propelan dipenelitian ini [15]. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui performa dari material propelan padat yang dibuat dengan  menggunakan teknologi pembuatan cepat atau 3D printer yang  mutakhir. Dari hasil penelitian ini diharapkan  untuk  memperoleh  propelan  padat  tanpa  residu  bahaya,  dengan  geometri  tertentu  yang  tidak  dapat  dibuat dengan cara tradisional, mudah memproduksi sejumlah kecil propelan dengan harga murah, dan pengurangan berat dari propelan dan komponen.

## 2. Material dan metodologi
Pada  penelitian  ini,  metode  yang  digunakan  adalah  metode  eksperimen  dengan  melakukan  uji  pada  sampel  yang dipersiapkan. Mengaduk KNO 3 dan Fe 2 O 3 sesuai formula sampai merata. Mencampur bahan diatas dengan resin sesuai formula. Bahan siap produksi menggunakan 3D printer. Komposisi kimia propelan seperti ditunjukkan pada Tabel 1.
Persiapan Bahan:
a) Memanaskan KNO 3 pada suhu 50 derajat Celcius selama 30 menit. Menggunakan oven.
b) Menghaluskan KNO 3 dengan ball mill / coffee grinder.
Prosedur Pembuatan Campuran Resin:
a) Mengaduk KNO 3 dan Fe 2 O 3 sesuai formula sampai merata.
b) Mencampur bahan diatas dengan resin sesuai formula.
c) Bahan siap produksi menggunakan 3D printer.
Tabel 1. Komposisi masa paduan propelan padat (wt%).
No. KNO 3 Photocurable resin Fe 2 O 3 TEG/DEG 1. 49 30 1 20 2. 47 30 3 20 3. 50 25 5 20 4. 50 30 - 20
SLA  3D  printing  (Gambar  1)  dipilih  sebagai  metode  pembuatan  jenis  prototipe  cepat  pada  penelitian  ini  karena pertimbangan keamanan jika dilakukan pada tipe material energetik. Komposisi setiap layer dihasilkan dari curing dengan menggunakan sinar UV pada mesin, yang pada akhirnya membentuk geometri yang diinginkan. Dalam penelitian kali ini model 3D printer yang digunakan adalah ANYCUBIC photon mono 4K. Dimana spesifikasi Printer ini ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Spesifikasi parameter printing . Spesifikasi Parameter Dimensi alat 15.1 x 8.9 x 8.7 in./38.3 x 22.7 x 22.2 cm Berat alat 9.4 lb./4.3 kg Eksposur layar 6.23’’ monokrom Dimensi hasil prin 16.5 x 13.2 x 8 cm Transmisi cahaya 7% Rasio kontras 400:1 Sumber cahaya Parallel matrix (LED x 15) Kepadatan kekuatan 3,500 - 4,000 μw/cm²/23,905 - 27,320 lux Akurasi hasil prin 3,840 x 2,400 px Kecepatan prin ≤ 5 cm/hr
Berikut adalah spesifikasi propelan dengan Diameter 20 mm, Tinggi 50 mm, Diameter Rongga 8 mm, seperti  yang ditunjukkan pada Gambar 2.
(a) (b)
Gambar 2. Sampel propelan dengan: (a) 2D model dan, (b) 3D model CAD dan hasil printing

## 3. Hasil dan pembahasan
Pada  umumnya  propelan  berbentuk  bubuk  maupun  silinder  pejal,  dan  sekarang  ini  teknologi  pembuatan  propelan padat  secara  konvensional  adalah  dengan casting atau  cetak.  Pada  penelitian  ini  geometri  propelan  yang  diinginkan berbentuk silinder dengan rongga yang terletak ditengah untuk mendapatkan hasil thrust yang cukup baik. Oleh karena itu, hal tersebut sulit dicapai dan terlalu mahal dengan menggunakan metode biasa seperti casting . Tipe propelan padat pada penelitian ini desain yang dipakai adalah desain tubular. Pada desain ini, bagian tengah silinder diberi rongga. Desain tubular  ini  menyebabkan  karakteristik  pembakaran  yang  progresif.  Artinya, thrust yang  dihasilkan  meningkat  seiring bertambahnya waktu, berikut ilustrasi karakteristik geometri dengan perbandingan antara thrust-time pada Gambar 3 [2].
Gambar 3. Desain muatan pembakaran internal dengan grafik Thrust-Time.
Penelitian ini diawali dengan pembuatan paduan komposit sesuai dengan komposisi campuran 1-4 pada Tabel 1 untuk mendapatkan komposisi paduan yang paling optimal. Mengacu kepada spesifikasi militer, komposisi propelan komposit perlu memenuhi minimal 70-80% oxidizer . Gambar 4 menunjukkan hasil cetakan campuran 1-4 dan hasil pembakarannya. Campuran  1  dan  2  dikeringkan  dengan  mudah,  menghasilkan  lempengan  padat  setelah  sekitar  10  menit  sejak  katalis dicampur dengan resin. Campuran 3, membutuhkan waktu lebih lama untuk memadat. Setelah 1 hari, campuran 3 masih lembut saat disentuh. Ini bisa terjadi karena kontrol suhu yang kurang hati-hati, atau jumlah katalis yang sedikit berbeda. Setelah 2 hari, campuran 3 telah memadat. Sifat mekanik cukup berbeda dari campuran 1 dan 2; campuran 3 cukup plastis, dan  dapat  dengan  mudah  berubah  bentuk  sebelum  pecah.  Dari  hasil  uji  pembakaran,  terlihat  banyak  gelembung  yang dihasilkan  terutama  dikarenakan  oleh  kelembapan  yang  tinggi  dan  proses  evakuasi  propelan  di  ruang  terbuka  (tidak vacuum ).
Sesuai dengan rancang bangun propelan padat yang diinginkan seperti di bawah ini:
 Diameter: 20 mm
 Tinggi: 50 mm
 Diameter Rongga: 8 mm
 Tebal dinding: 12 mm
 Volume: 452 mm^3
 Berat: 0.753 g
Pada penelitian dilakukan proses printing propelan padat dengan dimensi yang sesuai dengan desain. Hasil printing propelan padat dengan komposisi campuran 2 ditunjukkan pada Gambar 5 menunjukkan propelan yang memiliki ukuran sama dengan desain dan memiliki penampang yang halus. Setelah dikeringkan di oven dengan suhu 60 o C selama 6 jam dan  dijemur  di  panas  matahari  selama  2  hari,  propelan  menunjukkan  adanya  indikasi shringking atau  penyusutan.
Penyusutan terjadi karena adanya proses ekstrak cairan resin yang tersisa dari proses curing menggunakan SLA 3D Printer dengan adanya tanda berupa retakan disekitar badan propelan. Retakan ini terjadi dikarenakan tiap-tiap layer dari propelan mengalami penyusutan dengan tingkat yang berbeda secara tidak merata, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Selain itu, proses pengeringan yang tidak sempurna menyebabkan bagian dalam propelan masih basah. Oleh karena itu, akurasi dimensi adalah permasalahan utama dalam proses manufaktur dengan 3D printing. Penyusutan produk yang disebabkan perubahan fasa material seringkali menyebabkan perubahan bentuk pada hasil akhir produk [13].
Gambar 5. Hasil pembuatan sampel propelan padat.
Gambar 6. Fenomena shringking (penyusutan) pada sampel propelan padat.
Setelah  dilakukan  printing  maka  propelan  akan  dilanjutkan  uji  bakar.  Uji  bakar  yang  dilakukan  hanya  uji  bakar sederhana  berupa  penyulutan  propelan  dengan  api.  Tujuan  dari  uji  pembakaran  ini  adalah  untuk  mengetahui  reaksi propelan yang telah dibuat dengan api. Saat dilakukan pembakaran, terjadi reaksi perambatan bakar antara photocurable resin, KNO 3 , dan Fe 2 O 3 . Reaksi yang dihasilkan berupa pembakaran yang menghasilkan asap berwarna putih, akan tetapi burn  rate  yang  masih  belum  optimal,  seperti  pada  Gambar  7  di  bawah.  Dengan  kata  lain  hasil  pembakaran  belum
menunjukkan performa yang diinginkan. Hal tersebut disebabkan oleh beberapa faktor seperti bahan-bahan kimia kurang tercampur sempurna dalam resin, pengadukan dengan kecepatan min. 3500rpm sangat direkomendasikan [8], komposisi persentase campuran bahan masih belum tercapai dengan optimal, KNO 3 , dan Fe 2 O 3 mengendap saat proses printing, dan kualitas pemilihan material ( fuel, oxidizer , dan resin/katalis) yang belum maksimal.
Untuk mengatasi masalah tersebut serta menghasilkan produk yang lebih baik pada eksperimen selanjutnya, maka diperlukan bahan dengan kualitas yang lebih baik serta memperbaiki komposisi bahan. Perbaikan juga harus dilakukan pada  proses  manufaktur  dengan  memodifikasi  parameter printing .  Partikel  KNO 3 harus  dibuat  lebih  kecil  agar  dapat tercampur dengan resin. Untuk mencapainya, maka KNO 3 harus dihaluskan dengan smooth grinding dan diayak dengan ayakan mesh tinggi. Pengadukan harus menggunakan mixer dengan kapasitas rpm tinggi (min. 3500 rpm).
Gambar 7. Uji bakar propelan padat.

## 4. Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah uji coba pembuatan propelan untuk peluru menggunakan teknologi rapid prototyping (additive  manufacturing) terlaksana dengan baik dan  mendapatkan  hasil  yang cukup baik. Propelan yang dihasilkan sesuai dengan dimensi akan tetapi terjadi fenomena shringking (penyusutan) sehingga terdapat retakan  pada  geometri  propelan.  Hasil  uji  bakar  dalam  propelan  mendapatkan  reaksi  pembakaran  yang  cukup  baik walaupun burn rate belum optimal secara visual (target 2.0 mm/s) pada kondisi udara terbuka. Optimalisasi parameter printing  yang  diperoleh  dalam  penelitian  ini  adalah  dengan  eksposur  6.23’’  monokrom,  Transmitasi  cahaya  7%, Kepadatan kekuatan: 3,500 μw/cm²/23,905 lux, dan Kecepatan Print: ≤ 5 cm/hr. Dengan parameter tersebut dibutuhkan waktu kurang lebih 2 hr untuk mendapatkan geomteri yang diinginkan. Dibutuhkan penyempurnaan lebih lanjut dengan penyesuaian  komposisi  bahan  seperti  penggantian  material  fuel  dan  oxidizer  pada  Ammonium  Perklorat  (AP)  yang memiliki  density  lebih  ringan  yaitu  1.95  g/cm 3 dan  Alumunium  oxide,  AL 2 O 3 ,  dengan  density  3.95  g/cm 3 untuk mendapatkan hasil bakar yang maksimal.

## Daftar Pustaka
[1] Adel,  W.  M.,  Liang,  G.,  Service  life  prediction  of  AP/Al/HTPB  solid  rocket  propellant  with  consideration  of softening aging behavior. Chinese Journal of Aeronautics. 2019 February; 32(2): p. 361.
https://doi.org/10.1016/j.cja.2018.08.003
[2] Chandru, R. A., Balasubramanian, N., Oommen, C., Raghunandan, B. N., Additive Manufacturing of Solid Rocket Propellant Grains. Journal of Propulsion and Power. 2018; 34(4): p. 1090. https://doi.org/10.2514/1.B36734
[3] Chaturvedi, S., Dave, P. N., Solid propellants: AP/HTPBcomposite propellants. Arabian Journal of Chemistry. 2019 December; 12(8): p.2061-2068. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2014.12.033
[4] Yang,  W.,  Hu,  R.,  Zheng,  L.,  Yan,  G.,  &  Yan,  W.,  Fabrication  and  investigation  of  3D-printed  gun  propellants. Materials & Design, 2020 July; 192: p.108761. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108761
[5] Chen,  X.,  Lai,  J.,  Chang,  X.-l.,  Zhang,  Y.,  Zhang,  L.,  Wang,  C.,  Compressive  mechanical  properties  of  HTPB propellant  at  low  temperatures  and  strain  rates.  Results  in  Physics.  2017;  7:  p.  4079–4084. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2017.10.034
[6] Li, M., Yang, W., Xu, M., Hu, R., Zheng, L., Study of photocurable energetic resin based propellants fabricated by 3D printing. Materials & Design, 2021 September; 207: p.109891. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109891
[7] Nihan, C., Chunlin, H., Siping, P., Additive manufacturing of energetic materials: Tailoring energetic performance via printing. Journal of
Materials Science & Technology, 2022; 127: p.29-47.
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.02.047
[8] Konstantin,  A.M.,  Igor,  V.F.,  Alla,  N.P.,  FDM  3D  printing  of  combustible  structures:  First  results.  Mendeleev Communications. 2022 April; 32 (2): p.228-230. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2022.03.025
[9] Allison,  K.M.,  Whitney,  A.N.,  Trevor,  J.F.,  I.  Emre,  G.,  Steven,  F.S.,  George,  T.-C.,  Jeffrey,  F.R.,  Selectively- deposited  energetic  materials:  A  feasibility  study  of  the  piezoelectric  inkjet  printing  of  nanothermites.  Additive Manufacturing. 2018 August; 22: p.69-74. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.05.003
[10] Dylan,  J.K.,  Zaira,  A.,  Miles,  C.R.,  Alexander,  I.L.,  Spencer,  G.H.,  Prithwish,  B.,  Feiyu,  X.,  Michael,  R.Z., Experimental  observation  of  the  heat  transfer  mechanisms  that  drive  propagation  in  additively  manufactured energetic materials. Combustion and Flame. 2020 May; 215: p.417-424.
https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2020.01.020
[11] Manman,  L.,  Yuchen,  G.,  Rui,  H.,  Qionglin  Wang.,  Weitao  Yang.,  Thermal  study  of  APNIMMO/CL-20  based propellants  fabricated  by  3D  printing.  Thermochimica Acta.  2021  December;  706:  p.179072. https://doi.org/10.1016/j.tca.2021.179072
[12] McClain, M.S., Gunduz, I.E.,  Son, S.F.,  Additive  manufacturing of ammonium perchlorate composite propellant with  high  solids  loadings.  Proceedings  of  the  Combustion  Institute.  2019;  37(3):  p.3135-3142. https://doi.org/10.1016/j.proci.2018.05.052
[13] Zhang, J., He, K., Zhang, D., Dong, J.D., Li, B., Liu, Y.J., Gao, G.L., Jiang, Z.X.,  Three-dimensional printing of energetic materials: A review. Energetic Materials Frontiers. 2022 June; 3(2): p. 97-108.
https://doi.org/10.1016/j.enmf.2022.04.001
[14] Rosita, G., Ability Test of Solid Composite Propellant Burning Rate Based on Composition of Fuel-Binder Ratio Using LAPAN’s HTPB. International Seminar on Aerospace Science and Technology IV; 2016; Jakarta, Indonesa.
[15] Sitompul,  H.  R.,  Wibowo,  H.  B.,  Abdillah,  L.  H.,  Ardianingsih,  R.,  Restasari,  A.,  Budi,  R.  S.,  .  .  .  Baiquni,  M., Integrated  Quality  Analysis  Method  of  Aluminum  for  Composite  Propellant  Production.  Jurnal  Teknologi Dirgantara. 2021; p.177-192.